JP4431679B2 - Composite material and method for producing the same - Google Patents

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Description

本発明は、炭素繊維またはカーボンナノチューブを用いた複合材およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a composite material using carbon fibers or carbon nanotubes and a method for producing the same.

近年、パーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと称す）やゲーム機等に使用される半導体モジュールは高速化、高集積化されるに従い、その消費電力も大きくなり、それに伴って半導体モジュールそのものの発熱も大きくなっている。このようなＰＣ等の半導体モジュールに対して、一般的に放熱部材として使用されているアルミニウムは、熱伝導率が２３７W／mKであり、高発熱に対応するために、表面積の拡大化、部材の強制空冷化などで対応している。   In recent years, semiconductor modules used in personal computers (hereinafter referred to as PCs), game machines, and the like have increased power consumption as the speed and integration have increased, and the heat generated by the semiconductor modules has increased accordingly. ing. For such a semiconductor module such as a PC, aluminum generally used as a heat radiating member has a thermal conductivity of 237 W / mK. It is supported by forced air cooling.

また最近では、ノート型ＰＣにおいて、熱を温度の低い部分に移送し放熱させることを目的に、熱交換流体を金属チューブに封入し相変化を利用して循環させるいわゆるヒートパイプと呼ばれる製品も採用されている。   In recent years, so-called heat pipes have also been adopted in notebook PCs, in which heat exchange fluid is enclosed in a metal tube and circulated using phase change for the purpose of transferring heat to a low temperature part to dissipate heat. Has been.

しかし、これらの手法では、冷却、放熱能力に限界があり、高コストになることから、より高い熱伝導率をもち、かつ低コストで製造可能な放熱部材の開発が求められている。そこで、例えば、特許文献１には、炭素繊維を分散したアルミニウム基複合材料であって、分散材である炭素繊維が複合材料の熱膨張を抑制しようとする方向に二次元ランダム状態で配向され、厚み方向に層構造とされている炭素繊維分散アルミニウム基複合材料が示されている。   However, these methods have limitations in cooling and heat dissipation capabilities, and are expensive. Therefore, development of a heat dissipation member that has higher thermal conductivity and can be manufactured at low cost is required. Therefore, for example, Patent Document 1 is an aluminum-based composite material in which carbon fibers are dispersed, and the carbon fibers that are the dispersion material are oriented in a two-dimensional random state in a direction to suppress the thermal expansion of the composite material, A carbon fiber-dispersed aluminum-based composite material having a layer structure in the thickness direction is shown.

特開２００１−７３１０２号公報JP 2001-73102 A

ところで、この特許文献１に記載の炭素繊維分散アルミニウム基複合材料においては、低熱膨張で高い熱伝導性を有し熱的な衝撃に対しても熱特性が劣化しないという性質を有するものの、炭素繊維が二次元ランダム状態で配向されていることから、その熱の流動方向が一定せず、換言すると、熱流方向の制御が困難であるので、上述したノート型ＰＣ等のように熱の廃棄位置に制限があるものに対しては用いられないものである。   By the way, the carbon fiber-dispersed aluminum-based composite material described in Patent Document 1 has a property of low thermal expansion and high thermal conductivity and does not deteriorate thermal characteristics even when subjected to thermal shock. Is oriented in a two-dimensional random state, the direction of heat flow is not constant, in other words, it is difficult to control the direction of heat flow. It is not used for those with limitations.

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決し、熱流方向の制御が可能で製作が容易な複合材およびその製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems, and provide a composite material that can control the direction of heat flow and is easy to manufacture, and a method for manufacturing the same.

上記目的を達成する本発明の一形態になる複合材は、炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類がその繊維軸方向が整列され、少なくともアルミニウムを含む金属とで構成されていることを特徴とする。   A composite material according to one embodiment of the present invention that achieves the above object is characterized in that at least one of carbon fibers and carbon nanotubes is composed of a metal including at least aluminum and aligned in the fiber axis direction. .

ここで、前記炭素繊維またはカーボンナノチューブは、等間隔もしくは不等間隔に配列されていてもよい。   Here, the carbon fibers or the carbon nanotubes may be arranged at regular intervals or at irregular intervals.

また、前記炭素繊維またはカーボンナノチューブの太さが等しいもしくは異なるものであってもよい。   Further, the carbon fibers or carbon nanotubes may have the same or different thickness.

上記目的を達成する本発明の他の形態になる複合材は、炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類がその繊維軸方向が整列され、少なくともアルミニウムを含む金属とで構成されると共に、これが複数個、前記繊維軸方向を同方向にして、積層して構成されていることを特徴とする。   The composite material according to another embodiment of the present invention that achieves the above object is composed of at least one of carbon fibers and carbon nanotubes, the fiber axis direction of which is aligned, and a metal containing at least aluminum. The fiber axis direction is the same direction, and the layers are laminated.

上記目的を達成する本発明のさらに他の形態になる複合材は、炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類がその繊維軸方向が整列され、少なくともアルミニウムを含む金属とで構成されると共に、これが複数個、前記繊維軸方向を交互に異ならせて、積層して構成されていることを特徴とする。   The composite material according to still another embodiment of the present invention that achieves the above object is composed of at least one of carbon fibers and carbon nanotubes, the fiber axis direction of which is aligned, and a metal containing at least aluminum. It is characterized by being configured by laminating the fiber axis directions alternately.

さらに、上記目的を達成する本発明の一形態になる複合材の製造方法は、少なくともアルミニウムを含む金属層の上に炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類をその繊維軸方向を整列して配置し、さらにその上に少なくともアルミニウムを含む金属層をサンドイッチ状に積層し、所定の温度で加熱しつつ、所定の圧力で圧着し一体化する工程を備えることを特徴とする。   Furthermore, in the method for producing a composite material according to one aspect of the present invention for achieving the above object, at least one kind of carbon fiber and carbon nanotube is arranged on a metal layer containing at least aluminum so that the fiber axis direction is aligned. In addition, the method further comprises the step of laminating a metal layer containing at least aluminum thereon in a sandwich shape, and pressing and integrating them at a predetermined pressure while heating at a predetermined temperature.

ここで、前記所定の温度は約５００〜７００℃であり、前記所定の圧力は約６．２Ｍｐａ／ｃｍ２であることが好ましい。 Here, the predetermined temperature is about 500 to 700 ° C., and the predetermined pressure is preferably about 6.2 Mpa / cm 2 .

一般に、炭素繊維やカーボンナノチューブ（以下「ＣＦ等」という）は繊維軸方向へは熱は伝わり易いが、繊維軸に垂直な方向には伝わりにくいという性質を持つ。本発明の一形態になる複合材によれば、少なくともアルミニウムを含む金属に炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類がその繊維軸方向が整列されて、構成されているので、その部材の発熱部から所望の部分まで熱をすばやく伝える経路が形成されることにより、部材の特定の面への熱伝導率を制御することが可能となる。   In general, carbon fibers and carbon nanotubes (hereinafter referred to as “CF and the like”) have a property that heat is easily transmitted in the fiber axis direction but is not easily transmitted in a direction perpendicular to the fiber axis. According to the composite material according to one aspect of the present invention, since at least one of carbon fibers and carbon nanotubes is aligned with a metal containing at least aluminum in the fiber axis direction, the heat generating portion of the member is used. By forming a path for quickly transferring heat to a desired portion, it is possible to control the thermal conductivity to a specific surface of the member.

ここで、前記炭素繊維またはカーボンナノチューブが、等間隔もしくは不等間隔に配列されている形態や、前記炭素繊維またはカーボンナノチューブの太さが等しいもしくは異なる形態によれば、その熱伝導率を制御することが可能である。   Here, according to the form in which the carbon fibers or the carbon nanotubes are arranged at equal intervals or unequal intervals, and the form in which the thicknesses of the carbon fibers or the carbon nanotubes are equal or different, the thermal conductivity is controlled. It is possible.

また、本発明の他の形態になる複合材によれば、炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類がその繊維軸方向が整列され、少なくともアルミニウムを含む金属とで構成されると共に、これが複数個、前記繊維軸方向を同方向にして、または、交互に異ならせて、積層して構成されているので、所定の強度を有することができる。   Further, according to the composite material according to another aspect of the present invention, at least one of the carbon fibers and the carbon nanotubes is aligned with the fiber axis direction, and is composed of a metal containing at least aluminum, Since the fiber axis direction is the same direction or is alternately laminated, the fiber axis direction is configured to be laminated, so that it can have a predetermined strength.

さらに、本発明の一形態になる複合材の製造方法によれば、単純な工程且つ低コストで所望の複合材を得ることができる。   Furthermore, according to the method for manufacturing a composite material according to one embodiment of the present invention, a desired composite material can be obtained with a simple process and low cost.

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る複合材の基本構造を概念的に示す複合シート１０の拡大断面図であり、（Ａ）は、繊維軸方向が整列された炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類である「ＣＦ」１１が等しい太さで等間隔ｌ１に配列され、少なくともアルミニウムを含む金属層としてのアルミニウム層１２でサンドイッチ状に挟持された状態を示している。なお、（Ｂ）は「ＣＦ」１１が等しい太さで異なる間隔ｌ１、ｌ２を含む不等間隔に配列された例、（Ｃ）は「ＣＦ」１１が異なる太さΦ１、Φ２を含んで等間隔ｌ３に配列された例、および（Ｄ）は「ＣＦ」１１が異なる太さΦ１、Φ２を含んで異なる間隔ｌ４、ｌ５を含む不等間隔に配列された例を示している。いずれも所望の熱伝導率、熱膨張率を得るために、ＣＦ等の繊維密度および配列間隔（配列密度）はそれぞれ調整することが可能である。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of a composite sheet 10 conceptually showing the basic structure of a composite material according to the present invention. FIG. 1A shows at least one kind of carbon fibers and carbon nanotubes in which fiber axis directions are aligned. are arranged at a certain "CF" 11 equals the thickness at equal intervals l 1, shows a state of being sandwiched sandwiched in aluminum layer 12 as a metal layer containing at least aluminum. (B) is an example in which “CF” 11 is arranged with an equal thickness and unequal intervals including different intervals l 1 and l 2 , and (C) is a thickness Φ 1 and Φ 2 with different “CF” 11. examples which are arranged at equal intervals l 3 include, and (D) are arranged at irregular intervals including an interval l 4, l 5 different contain "CF" 11 different thicknesses [Phi 1, [Phi 2 An example is shown. In either case, in order to obtain desired thermal conductivity and thermal expansion coefficient, the fiber density of CF and the like and the arrangement interval (arrangement density) can be adjusted.

なお、アルミニウム以外の金属層としては、コストを考慮すると銅（熱伝導率402W/mK）、コストを無視すると銀（熱伝導率422W/mK）が可能である。また、軽量化を考慮するとマグネシウム（熱伝導率156W/mK）が可能である。さらに、ここに用いる炭素繊維とは、微細なグラファイト結晶構造をもつ繊維状の炭素物質で、グラファイト結晶構造とは２次元の板状重合の構造であり、これが何層にも重なったものをいう。また、ここに用いるカーボンナノチューブとは、グラファイトシートが管状になったものをいい、紡績等により所要の太さまで大きくされている。カーボンナノチューブには単層カーボンナノチューブおよび多層カーボンナノチューブがあることが知られている。両者は、結晶構造上はお互いに大きな違いはないが、その直径はナノチューブが１ナノメートル程度なのに対し、炭素繊維は数マイクロメートルである。なお、長さ２０ｃｍ、直径０．３ｍｍのカーボンナノチューブの製造については、ＣＶＤ法による成長法が報告されている（Zhu et al.、 Science 296(2002)、884）。   As the metal layer other than aluminum, copper (thermal conductivity 402 W / mK) can be used in consideration of cost, and silver (thermal conductivity 422 W / mK) can be considered if cost is ignored. In addition, considering weight reduction, magnesium (thermal conductivity 156 W / mK) is possible. Further, the carbon fiber used here is a fibrous carbon material having a fine graphite crystal structure, and the graphite crystal structure is a two-dimensional plate-like polymerization structure, which is a multi-layered structure. . The carbon nanotube used here refers to a graphite sheet having a tubular shape, and is enlarged to a required thickness by spinning or the like. It is known that carbon nanotubes include single-walled carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes. Although the two are not greatly different from each other in terms of crystal structure, the diameter of the nanotube is about 1 nanometer, whereas the carbon fiber is several micrometers. For the production of carbon nanotubes having a length of 20 cm and a diameter of 0.3 mm, a growth method by a CVD method has been reported (Zhu et al., Science 296 (2002), 884).

次に、上述の基本構造を有する複合シート１０を積層して形成するブロック状の複合材の作成手順を、図２を参照して説明する。
まず、図２（Ａ）は、上述の複合シート１０を作成する上述の工程を示し、アルミニウム層１２の上にＣＦ等１１をその繊維軸方向を整列して配置し、さらにその上にアルミニウム層１２をサンドイッチ状に積層し、所定の温度で加熱しつつ、所定の圧力を加える。そして、それぞれを接合させて一体化することにより複合シート１０を作成する。なお、ＣＦ等１１の材料としてＣＦ等のプリプレグ（炭素繊維、ガラス繊維の織物もしくは一方向に引き揃えた繊維に各種樹脂や金属を含浸したシート状のもの）を利用し、所望の太さに調整したものを用いてもよい。 Next, a procedure for creating a block-shaped composite material formed by laminating the composite sheets 10 having the basic structure described above will be described with reference to FIG.
First, FIG. 2 (A) shows the above-mentioned process for producing the above-mentioned composite sheet 10, and CF etc. 11 are arranged on the aluminum layer 12 with the fiber axis direction aligned, and further on the aluminum layer 12 are laminated in a sandwich shape, and a predetermined pressure is applied while heating at a predetermined temperature. And the composite sheet 10 is created by joining and integrating each. In addition, CF or the like prepreg (carbon fiber, glass fiber woven fabric or sheet-like material in which various resins and metals are impregnated in one direction) is used as the material of CF 11 and the like, and the desired thickness is obtained. You may use what was adjusted.

次に、この複合シート１０を複数個、積層し（図２（Ｂ）参照）、さらに加圧および加熱することにより、ブロック状の複合材を作成する（図２（Ｃ）参照）。より詳しくは、図６に示すように、真空容器２００に内臓された加圧機２０５を用いて作成する。この加圧機２０５はステンレス製の筒状容器２１０とこの筒状容器２１０に設けられた加圧ダイ２２０と同じく加圧ピストン２３０とを有している。そして、この加圧ダイ２２０と加圧ピストン２３０との間に上述の複合シート１０を所要の複数個数、積層して置き、真空容器２００内を真空引きしつつ不活性ガスを導入する。さらに、真空容器２００内を所定の温度（例えば、約７００℃）に加熱すると共に、加圧ダイ２２０と加圧ピストン２３０とにより所定の圧力（例えば、６．２Ｍpa／ｃｍ２）で所定の保持時間（例えば、１時間程度）加圧する。この後、加圧機２０５ないしは真空容器２００から取り出し、図２（Ｃ）に示されるブロック状の複合材を得る。このブロック状の複合材の繊維方向に直交する両端面は不定形であるので、両端を繊維方向に対し直角に切断し、複合材２０とする（図２（Ｄ）参照）。 Next, a plurality of the composite sheets 10 are stacked (see FIG. 2B), and further pressed and heated to create a block-shaped composite material (see FIG. 2C). More specifically, as shown in FIG. 6, it is created using a pressurizer 205 built in the vacuum vessel 200. The pressurizer 205 has a stainless steel cylindrical container 210 and a pressurizing piston 230 similar to the pressurizing die 220 provided in the cylindrical container 210. The required number of the composite sheets 10 are stacked between the pressure die 220 and the pressure piston 230, and an inert gas is introduced while evacuating the vacuum vessel 200. Further, the inside of the vacuum vessel 200 is heated to a predetermined temperature (for example, about 700 ° C.), and is held at a predetermined pressure (for example, 6.2 Mpa / cm 2 ) by the pressure die 220 and the pressure piston 230. Pressurize for a time (for example, about 1 hour). Thereafter, it is taken out from the pressurizer 205 or the vacuum vessel 200 to obtain a block-shaped composite material shown in FIG. Since both end faces perpendicular to the fiber direction of this block-shaped composite material are indefinite, both ends are cut at right angles to the fiber direction to form a composite material 20 (see FIG. 2D).

このようにして作成された複合材２０は、ＣＦ等１１の繊維軸方向が全て同一方向に整列して配置されているので、例えば、熱源が左端にある場合、熱は右端の方へ伝わりやすく、それ以外の面（上・下・前・後のそれぞれの面）には伝わりにくくなる。そこで、右端を十分に冷却すれば、それ以外の面での放熱量が少なくなる。従って、この複合材２０は、熱源から遠く離れた廃熱部へ向かう熱流方向の制御が容易である。   Since the composite material 20 produced in this way is arranged so that the fiber axis directions of CF and the like 11 are all aligned in the same direction, for example, when the heat source is at the left end, the heat is easily transferred to the right end. , It becomes difficult to be transmitted to the other surfaces (up, down, front and back surfaces). Therefore, if the right end is sufficiently cooled, the amount of heat radiation on the other surfaces is reduced. Therefore, the composite material 20 can easily control the direction of heat flow toward the waste heat section far away from the heat source.

なお、図１に示す複合シート１０を製造する方法として、積層法によるものについて上に説明したが、溶湯含浸法や粉末焼結法などの他の方法によって製造してもよいこともちろんである。   1 has been described above as a method of manufacturing the composite sheet 10 shown in FIG. 1, but it is needless to say that the composite sheet 10 may be manufactured by other methods such as a molten metal impregnation method and a powder sintering method.

また、ＣＦ等１１の繊維軸方向が全て同一方向に整列して配置されている複合材２０を基本として、用途に応じて所望の熱伝導率、熱膨張率を得るために、種々の形態の複合材を得ることができる。例えば、図２（Ｅ）に示すように、複合材２０をＣＦ等１１に対して、平行な方向にスライスしたもの２０Ｈ、および図２（Ｆ）に示すように、ＣＦ等１１に対して、垂直な方向にスライスしたもの２０Ｖを用意し、これらを交互に重ね合わせて加圧および加熱することにより複合材３０を作成するのである。同様に、図２（Ｅ）に示すように、複合材２０をＣＦ等１１に対して、平行な方向にスライスしたもの２０Ｈを、そのＣＦ等１１の繊維軸方向を交互に異ならせて重ね合わせ加圧および加熱することにより複合材４０を作成することもできる。   In addition, based on the composite material 20 in which the fiber axis directions of CF and the like 11 are all aligned in the same direction, various forms are obtained in order to obtain desired thermal conductivity and thermal expansion coefficient according to the application. A composite material can be obtained. For example, as shown in FIG. 2 (E), the composite 20 is sliced in a parallel direction with respect to the CF etc. 11 and 20H, and as shown in FIG. A composite material 30 is prepared by preparing 20V sliced in the vertical direction, and alternately superposing them and applying pressure and heating. Similarly, as shown in FIG. 2 (E), the composite material 20 is sliced in parallel with the CF etc. 11 and 20H is superposed with the fiber axis directions of the CF etc. 11 being alternately changed. The composite material 40 can also be created by applying pressure and heating.

ここで、上述の各複合材２０、３０および４０における熱の流れ特性を図３を参照して説明する。図３において、矢印は熱の流れる方向およびその大きさは熱の流れ易さを示している。図３（Ａ）に示された複合材２０は、その底面に熱源が存するとき、左右方向によく熱を伝える複合材となり、図３（Ｂ）に示された複合材３０は、その底面に熱源が存するとき、上、前後および左右方向によく熱を伝える複合材となり、さらに、図３（Ｃ）に示された複合材４０は、その底面に熱源が存するとき、前後および左右方向によく熱を伝える複合材となることが分かる。換言すると、炭素繊維を一方向に配列した複合材２０が繊維方向のみ熱伝導率を高めることが可能なのに対し、複合材３０は材料のどの面でも熱伝導率を高めることが可能となる。また、繊維の密度を調整することにより、特定の面（一方向、２次元平面、３次元方向）への熱伝導率を制御することが可能である。   Here, the heat flow characteristics in each of the composite materials 20, 30 and 40 will be described with reference to FIG. In FIG. 3, the arrow indicates the direction of heat flow and the size thereof indicates the ease of heat flow. The composite material 20 shown in FIG. 3A becomes a composite material that conducts heat well in the left-right direction when a heat source is present on the bottom surface, and the composite material 30 shown in FIG. When a heat source is present, the composite material conducts heat well in the top, front, back, left and right directions. Furthermore, the composite material 40 shown in FIG. It turns out that it becomes the composite material which conveys heat. In other words, the composite material 20 in which the carbon fibers are arranged in one direction can increase the thermal conductivity only in the fiber direction, whereas the composite material 30 can increase the thermal conductivity on any surface of the material. Moreover, it is possible to control the thermal conductivity to a specific surface (one direction, two-dimensional plane, three-dimensional direction) by adjusting the density of the fibers.

次に、かかる複合材をノート型ＰＣに用いた例を図４に示す。図４において、１００は半導体１１０等が配置されたマザーボード、１２０は半導体１１０等が出す熱を効率よく放出するためにその上面に接触させて使用される金属板製のヒートスプレッダ、１３０はヒートシンクおよび１４０は冷却ファンである。そこで、本実施の形態では、両ヒートスプレッダ１２０同士に端部を接触させて複合材２０が架橋状態に設けられていると共に、ヒートスプレッダ１２０とヒートシンク１３０との間にも互いに端部が接触されて複合材２０が架橋状態に設けられている。   Next, an example in which such a composite material is used in a notebook PC is shown in FIG. In FIG. 4, reference numeral 100 denotes a mother board on which the semiconductor 110 or the like is disposed, 120 denotes a heat spreader made of a metal plate used in contact with the upper surface in order to efficiently release the heat generated by the semiconductor 110 or the like, 130 denotes a heat sink and 140 Is a cooling fan. Therefore, in the present embodiment, the composite material 20 is provided in a cross-linked state by bringing the end portions into contact with each other between the heat spreaders 120, and the end portions are also in contact with each other between the heat spreader 120 and the heat sink 130. The material 20 is provided in a crosslinked state.

この両ヒートスプレッダ１２０同士およびヒートスプレッダ１２０とヒートシンク１３０との間に架橋状態に設けられた複合材２０は、互いに接触している部材同士間では熱が伝わりやすいが、それ以外の面（上・下・前・後のそれぞれの面）には伝わりにくい。そこで、ヒートシンク１３０を十分に冷却すれば、熱は半導体１１０等の発熱部から複合材２０を通ってヒートシンク１３０に導かれるが、それ以外の面での放熱量は少ない。従って、半導体１１０等の発熱部からのキーボード部分に対する放射熱によるその過熱を生じさせることなく、通常、背面部に配置されるヒートシンク１３０に熱を効率よく流すことができる。   In the composite material 20 provided in a bridged state between the heat spreaders 120 and between the heat spreader 120 and the heat sink 130, heat is easily transmitted between members in contact with each other, but the other surfaces (up, down, It is difficult to convey to the front and rear surfaces). Therefore, if the heat sink 130 is sufficiently cooled, the heat is guided from the heat generating portion such as the semiconductor 110 through the composite material 20 to the heat sink 130, but the heat dissipation amount on the other surfaces is small. Therefore, heat can be efficiently flowed to the heat sink 130 normally disposed on the back surface without causing overheating due to radiant heat from the heat generating portion such as the semiconductor 110 to the keyboard portion.

また、ヒートシンク１３０については、図５に示すように、アルミニウム製の基盤１３１に対し、放熱フィンとしての複合材２０が複数個、所定の間隔をあけて並列に設けられている。一般に従来のヒートシンクは、アルミニウムや鋼などの高熱伝導素材で構成されており、放熱面積を稼ぐために多数の放熱フィンを備えている。そして、増大した面積を効率よく活かして放熱効率を高めるには、放熱フィンにある程度の厚みを持たせて熱源から離れた表面まで熱を輸送する必要がある。しかし、従来の上記金属材料からなる放熱フィンを薄くすることによる、表面積を増大化させる方法には強度上限界があるが、本実施の形態による複合材２０の放熱フィンでは、熱伝導率が高く、軽量化、薄膜化が可能であるので、基盤１３１から離れた表面まで熱を効率よく輸送でき、放熱効率の高いヒートシンクとすることができる。   As for the heat sink 130, as shown in FIG. 5, a plurality of composite materials 20 as heat radiating fins are provided in parallel with a predetermined interval on an aluminum base 131. In general, a conventional heat sink is made of a highly heat conductive material such as aluminum or steel, and includes a large number of heat radiation fins in order to increase the heat radiation area. In order to increase the heat dissipation efficiency by efficiently utilizing the increased area, it is necessary to transport the heat to the surface away from the heat source by giving the heat dissipation fins a certain thickness. However, although the conventional method of increasing the surface area by thinning the heat radiating fin made of the metal material has a limit in strength, the heat radiating fin of the composite material 20 according to the present embodiment has high thermal conductivity. Since the weight can be reduced and the thickness can be reduced, heat can be efficiently transported to the surface away from the base 131, and a heat sink with high heat dissipation efficiency can be obtained.

また、用途に応じて所望の熱伝導率、熱膨張率を得るために形成された複合材２０、３０、４０においては、上述のヒートスプレッダ１２０やヒートシンク１３０との熱膨張率に合わせて用いることが可能である。例えば、接触面で加熱−冷却が繰り返されたと仮定した場合、熱膨張率の違いから熱疲労により接合面でクラックが生じることが考えられるが、ＣＦ等の熱膨張率はほぼ０であり、ＣＦ等をヒートシンク１３０の骨格として用いると熱膨張率が調整可能となる。そこで、複合材２０、３０、４０の熱膨張率をその接合相手部材の熱膨張率と同じ熱膨張率に調整して作成した場合には、先ほどの熱疲労によるクラックが生ずることがない。なお、異方向に積層して形成された場合には、熱はどの面にも均等に伝わるが、熱の伝わり易さは現存の素材よりさらに良いので、放熱部材として用いた場合、その軽量化、薄膜化が十分に生かせることになる。また、ＣＦ等は熱膨張率が小さいため、複合化した際、金属単体と比較して熱膨張を抑制することができる。これにより、半導体と放熱部材との界面での熱疲労を抑えることができ、双方の長寿命化が期待できる。   Moreover, in the composite materials 20, 30, and 40 formed in order to obtain a desired thermal conductivity and a thermal expansion coefficient according to a use, it is used according to the thermal expansion coefficient with the above-mentioned heat spreader 120 or the heat sink 130. Is possible. For example, when it is assumed that heating-cooling is repeated on the contact surface, cracks may occur on the joint surface due to thermal fatigue due to the difference in thermal expansion coefficient, but the thermal expansion coefficient of CF or the like is almost zero, and CF Etc. can be used as the skeleton of the heat sink 130 to adjust the coefficient of thermal expansion. Therefore, when the thermal expansion coefficient of the composite material 20, 30, 40 is adjusted to the same thermal expansion coefficient as that of the mating member, cracks due to thermal fatigue as described above do not occur. In addition, when laminated in different directions, heat is evenly transmitted to any surface, but the heat transfer is better than existing materials, so when used as a heat dissipation member, its weight is reduced. The thin film can be fully utilized. Further, CF and the like have a small coefficient of thermal expansion, so that when they are combined, thermal expansion can be suppressed as compared with a single metal. As a result, thermal fatigue at the interface between the semiconductor and the heat dissipation member can be suppressed, and a longer life of both can be expected.

少なくともアルミニウムを含む金属層として厚さ１５μｍの（キッチン用）アルミホイルと、直径１０μｍの炭素繊維を用いた。これらの熱伝導率はアルミニウムが２３７W／mK、炭素繊維が５００W／mKである。そして、この炭素繊維を上記の作成方法により繊維軸方向が全て同一方向に整列するように配置して、アルミホイルによりサンドイッチ状に挟み込み、不活性雰囲気中にて加圧しながら５００℃程度に加熱してアルミホイルを接合させ、複合シートを得た。   As a metal layer containing at least aluminum, aluminum foil (for kitchen) having a thickness of 15 μm and carbon fiber having a diameter of 10 μm were used. Their thermal conductivities are 237 W / mK for aluminum and 500 W / mK for carbon fiber. Then, the carbon fibers are arranged so that the fiber axis directions are all aligned in the same direction by the above preparation method, sandwiched between aluminum foils in a sandwich shape, and heated to about 500 ° C. while being pressurized in an inert atmosphere. Aluminum foil was joined to obtain a composite sheet.

なお、この分量は、炭素繊維が数〜８０vol％程度が可能であり、このときの熱伝導率は複合材において、（部材の熱伝導率）＝（アルミの含有比率）×２３７＋（炭素繊維の含有比率）×５００で求められるので、例えば、アルミ：炭素繊維＝５０％：５０％とした場合、上記の式により ０．５×２３７＋０．５×５００＝３６８．５W／mKとなり、アルミ単体と比較して熱伝導率が相当高くなる。   The amount of this carbon fiber can be several to about 80 vol%, and the thermal conductivity at this time is (the thermal conductivity of the member) = (aluminum content ratio) × 237 + (carbon fiber Content ratio) × 500, for example, when aluminum: carbon fiber = 50%: 50%, it becomes 0.5 × 237 + 0.5 × 500 = 368.5 W / mK according to the above formula. In comparison, the thermal conductivity is considerably high.

次に、上で作成した複合シートを適当な大きさに切断した後、複数個、積層し、上記と同様に窒素雰囲気等の不活性雰囲気中にて、約７００℃に加熱すると共に、加圧機により６．２Ｍpa／ｃｍ２の圧力で１時間程度加圧した。そして、縦×横×厚さ＝２０ｍｍ×２０ｍｍ×１ｍｍの、図２（Ｃ）等に示す形態のブロック状の複合材を得ることができた。 Next, after cutting the composite sheet prepared above to a suitable size, a plurality of layers are laminated and heated to about 700 ° C. in an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere as described above, and a pressurizing machine For about 1 hour at a pressure of 6.2 Mpa / cm 2 . And the block-shaped composite material of the form shown in FIG.2 (C) etc. of length x width x thickness = 20mmx20mmx1mm was able to be obtained.

本発明に係る複合材の基本構造を概念的に示す複合シートの拡大断面図であり、（Ａ）は、繊維軸方向が整列された「ＣＦ」が等しい太さで等間隔に配列され、アルミニウム層でサンドイッチ状に挟持された例、（Ｂ）は「ＣＦ」が等しい太さで異なる間隔を含む不等間隔に配列された例、（Ｃ）は「ＣＦ」が異なる太さを含んで等間隔に配列された例、および（Ｄ）は「ＣＦ」が異なる太さを含んで異なる間隔を含む不等間隔に配列された例を示している。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is an enlarged cross-sectional view of a composite sheet conceptually showing the basic structure of a composite material according to the present invention. FIG. Example of sandwiched layers, (B) is an example in which “CF” is arranged with an equal thickness and unequal intervals including different intervals, (C) is an example in which “CF” includes different thicknesses, etc. In the example arranged at intervals, and (D) shows an example in which “CF” is arranged at unequal intervals including different intervals including different thicknesses. 基本構造を有する複合シートを積層して形成するブロック状の複合材の作成手順を示す工程図である。It is process drawing which shows the preparation procedure of the block-shaped composite material formed by laminating | stacking the composite sheet which has a basic structure. 各複合材２０、３０および４０における熱の流れ特性を示す斜視図であり、（Ａ）は、その底面に熱源が存するとき、左右方向によく熱を伝える複合材２０、（Ｂ）は、その底面に熱源が存するとき、上、前後および左右方向によく熱を伝える複合材３０、さらに、（Ｃ）は、その底面に熱源が存するとき、前後および左右方向によく熱を伝える複合材４０を示す。It is a perspective view which shows the heat flow characteristic in each composite material 20, 30 and 40, (A) is the composite material 20, (B) which conducts heat well in the left-right direction when a heat source exists on the bottom surface thereof. When there is a heat source on the bottom surface, the composite material 30 that conducts heat well in the front, back, and left and right directions, and (C) shows a composite material 40 that conducts heat well in the front and back and left and right directions when the heat source exists on the bottom surface. Show. 本発明に係る複合材をノート型ＰＣに用いた実施の形態を示す分解斜視図である。It is a disassembled perspective view which shows embodiment which used the composite material which concerns on this invention for notebook type PC. 本発明に係る複合材を放熱フィンとして用いたヒートシンクの一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the heat sink which used the composite material which concerns on this invention as a radiation fin. 本発明に係る複合材を作成するのに用いる装置の一例を示す断面概略図である。It is a cross-sectional schematic diagram which shows an example of the apparatus used for producing the composite material which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０ 複合シート
１１ 「ＣＦ」
１２ アルミニウム層
２０，３０、４０ 複合材 10 Composite sheet 11 “CF”
12 Aluminum layer 20, 30, 40 Composite material

Claims (7)

炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類をその繊維軸方向を整列して配置し、少なくともアルミニウムを含む金属層をサンドイッチ状に積層して複合シートを作成し、Arrange at least one kind of carbon fiber and carbon nanotube aligned in the fiber axis direction, laminate a metal layer containing at least aluminum in a sandwich shape to create a composite sheet,
前記複合シートを、繊維軸方向が全て同一方向になるように整列して複数個、積層してブロック状の複合材を作成し、  A plurality of the composite sheets are aligned and laminated so that the fiber axis directions are all in the same direction, and a block-shaped composite material is created,
前記ブロック状の複合材を前記繊維軸方向に対して平行な方向にスライスしたものと、  Slicing the block composite in a direction parallel to the fiber axis direction,
前記ブロック状の複合材を前記繊維軸方向に対して垂直な方向にスライスしたものとを、  Slicing the block-shaped composite material in a direction perpendicular to the fiber axis direction,
交互に、繊維軸方向が前後方向、上下方向、左右方向に異ならせて積層して構成されている複合材。  A composite material formed by alternately laminating the fiber axis directions in the front-rear direction, the up-down direction, and the left-right direction. 前記炭素繊維またはカーボンナノチューブは、等間隔に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の複合材。   The composite material according to claim 1, wherein the carbon fibers or the carbon nanotubes are arranged at equal intervals. 前記炭素繊維またはカーボンナノチューブは、不等間隔に配列されていることを特徴とする請求項１に記載の複合材。   The composite material according to claim 1, wherein the carbon fibers or carbon nanotubes are arranged at unequal intervals. 前記炭素繊維またはカーボンナノチューブの太さが等しいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の複合材。   The composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon fibers or the carbon nanotubes have the same thickness. 前記炭素繊維またはカーボンナノチューブの太さが異なることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の複合材。   The composite material according to any one of claims 1 to 3, wherein the carbon fibers or the carbon nanotubes have different thicknesses. 少なくともアルミニウムを含む金属層の上に、炭素繊維及びカーボンナノチューブの少なくとも一種類をその繊維軸方向を整列して配置し、On the metal layer containing at least aluminum, at least one kind of carbon fiber and carbon nanotube is arranged with its fiber axis direction aligned,
さらにその上に少なくともアルミニウムを含む金属層をサンドイッチ状に積層し、所定の温度で加熱しつつ、所定の圧力で圧着し一体化して複合シートを作成し、  Furthermore, a metal layer containing at least aluminum is laminated on it in a sandwich shape, heated at a predetermined temperature, and pressed and integrated with a predetermined pressure to create a composite sheet,
前記複合シートを、繊維軸方向が全て同一方向になるように整列して複数個、積層し、加圧および加熱することにより、ブロック状の複合材を作成し、  A plurality of the composite sheets are aligned and laminated so that the fiber axis directions are all in the same direction, and a block-shaped composite material is created by pressing and heating,
前記ブロック状の複合材を前記繊維軸方向に対して平行な方向にスライスしたものと、  Slicing the block composite in a direction parallel to the fiber axis direction,
前記ブロック状の複合材を前記繊維軸方向に対して垂直な方向にスライスしたものとを、  Slicing the block-shaped composite material in a direction perpendicular to the fiber axis direction,
交互に、繊維軸方向が前後方向、上下方向、左右方向に異ならせて積層し、加圧および加熱する工程を備えることを特徴とする複合材の製造方法。  A method for producing a composite material comprising a step of alternately laminating, pressing and heating the fiber axis direction in the front-rear direction, the up-down direction, and the left-right direction. 前記所定の温度は５００〜７００℃であり、前記所定の圧力は６．２Ｍｐａ／ｃｍ２で
あることを特徴とする請求項６に記載の複合材の製造方法。 The said predetermined temperature is 500-700 degreeC, and the said predetermined pressure is 6.2 Mpa / cm < 2 >, The manufacturing method of the composite material of Claim 6 characterized by the above-mentioned.
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